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y 7 7 8 9 5 2 虚拟制造技术在凸轮轴模具加工中的应用 材料加工工程专业 研究生闭磊指导教师杨屹 随着现代制造业的发展，对制造企业的要求也越来越高。为了应对日趋激 烈的市场竞争，企业必须在尽量短的时间内开发符合市场需求的产品，缩短产 品研制和生产周期。本课题尝试以虚拟制造的技术和概念为基础，结合各种计 算机技术，以快捷科学地确定凸轮轴成型模具及轴类件的优化切削工艺参数为 目标进行研究。 首先按实际加工条件建立刀具和工件切削系统的计算机三维模型，刀片的 建模将按照实际使用刀片g b 规定的几何尺寸进行，这项工作以c a d 软件p r o e 完成。然后将建立的模型导入有限元分析软件d e f o r m 进行分析，分析过程将模 拟刀具在工件上的切削过程，获取在不同的加工工艺下刀片所受的三向力数据。 通过切削力的试验和切削模拟仿真对比分析，本课题的研究表明按照切削加工 实际构建精确的物理模型，和建立合理的仿真模拟边界条件，能够获得比较精 确模拟结果。 在试验设计的基础上，利用模拟的切削力结果，通过回归技术，建立的切 削力元模型。同时建立凸轮轴成型模具切削工艺优化的数学模型，利用遗传算 法进行优化计算，获取此轴类件的高效加工参数。同时本课题将建立基于 m a t l a b 的切削力回归分析和优化计算的用户界面系统，达到提高工艺制定的效 率和生产效率的目的。 计算机技术的发展使虚拟制造技术的应用越来越广泛，然而虚拟技术的应 用主要集中于产品的开发过程，即研发符合市场和制造要求的产品，在工艺改 进方面的应用还不完善。本课题应用虚拟制造的技术和概念于凸轮轴模具生产 的加工，经过模拟及优化工作，获的满足要求的优化加工参数。 关键词：凸轮轴虚拟制造优化遗传算法切削 t h ea p p l i c a t i o no fv i r t u a lm a n u f a c t u r i n gi nt h e p r o d u c t i o no f ac a m s h a f t e n g i n e e r i n go fm a t e r i a lp r o c e s s i n g g r a d u a t e b il e i s u p e r v is o r y a n gy i w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e m m a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y , t h er e q u i s i t i o nf o r m a n u f a c t u r i n gc o m p a n yi s m u c hh i g h e r i no r d e rt ot a c k l e t h ef i e r c em a r k e t c o m p e t i t i o nt o d a y , e n t e r p r i s e sm u s td e v e l o pt h ep r o d u c t si na c c o r d i n gt ot h em a r k e t d e m a n di nas h o r tt i m e ，a n ds h o r t e nt h ed e v e l o p m e n ta n dm a n u f a c t u r el i f ec y c l eo f t h ep r o d u c t s t h i sr e s e a r c ht r i e st oc o m b i n ev a r i o u sk i n d so fc o m p u t e rt e c h n o l o g y b a s e do nt h ec o n c e p to fv i r t u a lm a n u f a c t u r i n g ，a n dt r i e st od e t e r m i n et h eo p t i m i z e d c u t t i n gp a r a m e t e rm o r ea c c u r a t e l ya n ds c i e n t i f i c a l l yt h a nb e f o r e t h ef i r s tw o r ko ft h i ss t u d yi s e s t a b l i s h i n gt h em o d e lo ft h ei n s e r ta n dt h e w o r k p i e c ef o rt h es i m u l a t i o n t h ei n s e r ts h o u l db em o d e l e da c c o r d i n gt ot h eg b w i t ht h eh e l po fp r o e 。t h e nt h em o d e ls h o u l db ei n p u t t e di n t ot h ef e ms o f t w a r e d e f o r m 3 d ，i nw h i c ht h i ss t u d ys i m u l a t et h ep r o c e s so fc u t t i n ga n dg e tt h e t h r e e d i m e n s i o n a lf o r c ei no r d e rt od i f f e r e n tc u t t i n gp r o c e s s t h r o u g ht h ec o n t r a s t b e t w e e nt h ec u t t i n gt e s ta n dc u t t i n gs i m u l a t i o n ，i tc a nc o n c l u d et h a ti ft h ep r e c i s e m o d e la n dt h ee x a c ts i m u l a t i o nb o u n d a r yi sc o n s t r u c t e d ，t h e ni tc o u l dg e tt h eg o o d r e s u l t so f t h ec u t t i n gs i m u l a t i o nw i t ht h eh e l po f d e f o r m 3 d b a s eo nt h ee x p e r i m e n t a ld e s i g n ，w eg e tt h ed a t ao fc u t t i n gf o r c ei nt h e s i m u l a t i o n t h o u g ht h et e c h n i q u eo fl i n e a rr e g r e s s i o n ，t h em e t a m o d e ls h o u l db e b u i l t a tt h es a m et i m e ，t h em a t h e m a t i cm o d e li se s t a b l i s h e dt oo p t i m i z et h ep r o c e s s o ft h e c a s t - i r o nc a m s h a f t s n l eo p t i m i z e dp r o c e s si sr e a c h e da f t e rs o l v i n gt h e m a t h e m a t i cm o d e lw i t hg e n e t i ca l g o r i t h r a s i nt h el a s t a ni n t e r f a c e s y s t e mo f r e g r e s s i o na n a l y s i sa n do p t i m i z a t i o nb a s eo nt h ec o d em a t l a bi sb u i l tu p i nd o i n gs o ， l i 摘要 i tc a nr e d u c et h er i s ki nt h ep r o d u c t sd e v e l o p m e n t ，i n c r e a s ee c o n o m i ce f f i c i e n c y f o rt h ed e v e l o p m e n to ft h ec o m p u t e rt e c h n i q u e ，t h ea p p l i c a t i o no ft h ev i r t u a l m a n u f a c t u r i n gi s m o r ew i d e r b u tt h em o s to fa p p l i c a t i o ni sf o c u s e do nt h e d e v e l o p m e n to f t h ep r o d u c t ，l i t t l eo nt h ep r o c e s so f m a n u f a c t u r e a p p l i n gt h ev i r t u a l m a n u f a c t u r i n gt e c h n i q u ei nt h em a n u f a c t u r eo fc a m s h a f t ，w eo b t a i nt h eo p t i m i z e d p r o c e s sp a r a m e t e ra f t e rt h ew o r ko f s i m u l a t i o na n do p t i m i z a t i o n k e yw o r d ：c a m s h a f t ，v i r t u a lm a n u f a c t u r i n g ，o p t i m i z a t i o n ， c u t t i n g g e n e t i ca l g o r i t h m 1 1 1 四川丈学硕士学位论文 1 绪论 1 1概述 随着现代制造业的发展，对制造企业的要求也越来越高。为了应对目趋激 烈的市场竞争，企业必须在尽量短的时间内开发出符合市场需求的产品。即在 产品性能、规格、品种满足新的要求同时，也要缩短产品的研制开发周期。为 了满足制造业发展的需要，产生了许多新的制造概念：敏捷制造，柔性制造， 并行设计，虚拟制造等。虚拟制造技术( v m t ，v i r t u a lm a n u f a c t u r i n g t e c h n o l o g y ) 通过应用计算机技术，可以通过模拟由产品设计、制造到装配的全 过程，对设计与制造过程中可能出现的问题进行分析与预测，提出改进措施， 实现产品从开发到制造整个过程的优化，达到降低产品制造周期、减小开发风 险、提高经济效益的目的“1 。 轴类件是制造行业中最常加工的零件之一，如：凸轮轴成型模具，发动机 顶柱等。发动机的凸轮轴和顶柱大多为铸造产品，是发动机中的关键部件，在 铸造工艺中，由于两方面的原因使得凸轮轴成型模具的生产成为制约凸轮轴生 产的一个瓶颈： a ) 由于发动机种类的增加，直接导致了凸轮轴成型模具品种多，结构尺寸 多样化的特点，增加了其制造工艺规划工作量。传统轴类件的切削加工通常由 工艺工程师和机床操作工人根据个人积累的经验制定，这样不可避免的造成制 定的工艺参数不够合理，缺乏科学依据的现实。有时甚至出现因为设计不周， 延长加工周期。 b ) 凸轮轴成型模具的需求增加，而其加工制造周期长。近十多年里，我国 汽车工业保持平均1 5 以上的增速。2 0 0 2 年、2 0 0 3 年的产量分别达到3 2 5 1 万辆和4 4 4 3 9 万辆，增幅高达3 8 8 和3 6 6 9 ，尤其是轿车产量的增幅更是 高达5 5 2 和8 4 9 9 ，这直接导致的对模具需求量的增加，且对其精度要求也 更高。”。在这样的情况下，原有的设备和生产工艺不能满足其生产效率的要求。 因此，需要引进新的设计制造概念和方法，虚拟制造技术的引进，给机械 工艺师提供了一种新的思路和方法来决定工艺参数。 本研究尝试结合以虚拟制造技术为基础的各种计算机技术，以快捷科学地 确定凸轮轴成型模具和类似轴类件的切削工艺参数为目标进行研究尝试。首先 按实际加工条件建立刀具和工件等切削系统的模拟三维模型，这项工作在c a d 虚拟制造技术a ：凸轮轴模具加工中的应用 软件中完成。然后将建立的模型导入有限元分析软件d e f o r m 进行分析。分析过 程将模拟刀具在工件上的切削过程，而后利用模拟的切削力结果来帮助建立凸 轮轴成型模具的切削加工优化数学模型。最后利用遗传算法来优化计算轴类件 的加工参数，最终实现提高模具工艺制定的效率和生产效率的目的。 1 2 凸轮轴生产与虚拟制造概念 1 2 1 凸轮轴的制造工艺 图1 1 装配式凸轮轴结构及剖面示意图( 6 3 囤l ，2 装配式凸轮轴加工工艺图 当前的凸轮轴制造技术主要有铸造凸轮轴和装配式凸轮轴( 图1 1 ) 。铸造凸 轮轴又分为砂型铸造和特种铸造。凸轮轴属于轴类零件，对动平衡要求较高，因 而对其尺寸和形状精度要求较高，对铸造模具的设计、铸型精度的要求也较高。 加之由于铸铁在凝固过程中的特异现象石墨化膨胀易于产生型壁移动，从而 2 四川九学硕士学位论文 影响尺寸和形状精度，因此必须要求铸型有较高的刚性和精度。1 。所以凸轮轴 模具的加工制造工艺和精度，是凸轮轴生产过程中一个重要环节。目前，因为 发动机的型号繁多，凸轮轴的型号也多种多样，凸轮轴生产厂家要面对小至十 几厘米大至一米甚至更长的凸轮轴成型模具的生产现状。如何迅速制定满足生 产要求的凸轮轴成型模具加工工艺是厂家面对的一个大问题。 装配式凸轮轴的轴和凸轮分开制造，然后装配在起。凸轮一般采用碳钢或 粉末冶金材料，轴则采用冷拔薄壁无缝钢管。碳钢凸轮可进行高频淬火或渗碳处 理，具有较高的耐胶着、耐点蚀性能“。由上图的装配式凸轮轴的工艺中可知， 其芯轴和轴颈的加工是其工艺中的重要部分，如何制定合理的加工参数，保证 加工效率和加工精度也是装配式凸轮轴生产面对的问题。 1 2 2 虚拟制造的定义及分类 虚拟制造( v i r t u a lm a n u f a t u r i n g 。v m ) 的概念是美国人最早在上世纪八 十年代提出来的，在九十年代得到重视与发展。其是计算机建模，仿真，分析 技术的综合应用。即采用计算机仿真和虚拟现实技术，在计算机上实现产品的 开发、制造、管理和控制等制造的本质过程，以增强制造过程各级的决策和控 制能力。目前，虚拟制造技术仍是一个处于发展完善阶段的新概念，根据虚拟 制造技术按照涉及的范围不同，大致可以分为三种类型“1 3 ： ( 1 ) 以设计为中心的v m 。这类研究是将制造信息加入到产品设计与工艺设 计过程中，并且在计算机中进行数字化的设计、制造。模拟仿真设计制造方案， 检验其可制造或可装配性，预测产品性能和报价成本。其主要目的是通过不同 程度的制造仿真来优化产品的设计及其工艺过程，尽早发现设计中潜在的问题。 整个设计过程是在虚拟的环境中进行，所谓虚拟环境即计算机系统。由于 使用数字化仿真工具，可以直接感受到所设计产品的性能和功能，并不断的根 据要求和仿真结果进行改进。从而使产品在设计阶段就能达到功能性、可靠性、 可制造性、经济性的要求。 ( 2 ) 以生产为中心的v m 。这类研究是将仿真能力加入到生产计划模型中， 其目的是方便和快捷地评价多种生产计划，是i p p d ( i n t e g r a t e dp r o d u c t p r o c e s sd e s i g n ) 到基于生产的物理层映射，检验新工艺流程的可信度、产品 的生产效率、资源的需求状况( 包括购置新设备，征询盟友) ，从而优化制造环 虚拟制造技术存凸轮轴横具加工中的应用 境的配置和生产的供给计划。 通过仿真，建立产品制造过程的虚拟设备、虚拟传感器、虚拟单元、虚拟 生产线、虚拟车间及虚拟工厂，以及各类虚拟设备的重用、重组和基于动画真 实感的虚拟产品地装配仿真、生产过程及生产调度仿真、数据加工过程地仿真 等。从而实现产品制造的局部过程最优或全局最优，如产品的开发周期和成本 最小化、产品制造质量的最优化以及生产效率的最高化。 ( 3 ) 以控制为中心的v m 。这类研究是将仿真能力增加到( 设备) 控制模型 中，提供对实际生产过程仿真的环境，其目的是考虑车间控制行为的基础上， 评估新的或改进的产品设计，以及与车间生产相关的活动，从而优化制造过程， 改进制造系统。 可以看出，虚拟制造从根本上说就是利用计算机技术生产“虚拟产品”。其 是一个跨学科的综合性技术，涉及仿真、可视化、虚拟现实、数据继承和优化 等领域。它从根本上改变了设计、试制、修改设计、规模生产的传统制造模式。 1 2 3 虚拟制造技术发展及现状 计算机集成制造技术是虚拟制造技术的基础，随着c a d 、c a e 、c a m 等计算 机辅助技术和d f a 、d 跚等集成技术，网络技术的发展，带动了虚拟制造技术的 研究和发展。目前，国内外有不少专门从事虚拟制造技术研究的科研机构和相 关的软件开发商。 1 2 3 1 虚拟制造技术的学术研究 国外的大学及研究机构主要发展虚拟制造技术的基础研究与工具原型系统 开发。t 9 8 9 年，美国马萨诸塞州技术研究所一份“虚拟制造”报告提出了虚拟 制造在产品概念设计和早期性能评价方面的优势。1 9 9 3 年，美国爱荷华大学的 报告“制造技术的虚拟环境”提出了建立虚拟制造支持环境技术。美国w i c h it a 州立大学利用w o r l d t o o l m t 虚拟环境开发工具对产品装配过程中的可达性问 题和人机工程评价进行了研究。德国联邦教育与科研部( b m b f ) 为了支持中小企 业通过使用现代化软件来加速新产品开发，在项目“集成虚拟产品制 造”( i n t e g r a t e dv i r t u a lp r o d u c tc r e a t o n ，i v i p ) 中，目前已开发出了一 个开放式的整合平台和5 0 套主要应用于机器制造和汽车行业的软件雏形。此平 到川大学硕士学位论文 台不仅整合了虚拟产品设计、产品测试和生产计划的功能，还具备产品数据管 理、企业合作、分工协作等功能，可作为虚拟企业的软件平台“。 在国内，清华大学内国家c i m s 工程技术研究中心仿真与虚拟制造研究室主 要从事相关的研究，研究内容包括：虚拟制造体系结构、平台及环境。从加工 角度来看，有零部件级、产品级的虚拟制造技术的研究，如虚拟加工( 虚拟机床) 、 虚拟装配、虚拟机器人、虚拟仪器、虚拟测量等；从管理角度来看，有虚拟调 度、虚拟仓库、分布交互式协同支持环境等；从控制角度来看，有虚拟设备集 成，远程零部件测试等。主要的研究成果有：“通用加工过程仿真器”，应用于 数控加工过程仿真。 由于国外的研究开发基础雄厚，又有强大的资金支持，因此在虚拟制造的 研究和应用领域一直处于领先地位 1 2 3 2 虚拟制造的相关软件及工业应用 国外由于技术和资金的领先优势，在虚拟制造相关领域应用的商业软件一 直不断出现和更新。在市场需求力的推动下，国外的软件公司推出了d e n e b ， r o b c a d ，w o r l d t o o k i t ，m u l t i g e n ，r e l e a s ex ，e a i ，e m p o w e r 等一批支持虚 拟制造的软件产品。这些制造软件系统平台的主要功能包括：实时交互虚拟环 境建立、模型可视化、虚拟样机设计分析、虚拟环境漫游、生产线布局、三维 工程动画等等。从使用情况看，这些软件有较大的应用范围和较好的应用效果。 下面简要介绍几种典型虚拟制造相关软件： d e n e b q u e s t 8 3 d e n e b q u e s t 是d e l m i a 公司开发的一种面向生产过程物流仿真与分析的三 维数字化工厂开发软件它为用户提供了一个简便的协同开发环境，以便通过 合理地进行生产系统设计来获得良好的制造系统物流过程通过使用 d e n e b q u e s t 对生产系统的参数( 如设备布局，资源分配，生产计划等) 进行实 验，生产系统设计者就能够评价自己的决策对生产率和成本的影响 e m p 1 a n t 【g e m - p l a n t 是t e c n o m a t i x 公司开发的主要用于生产系统与生产过程的建模 与仿真的软件系统用户可在e m p l a n t 环境下分析和优化生产系统的各种性 能指标：生产率，在制品水平，设备利用率，工人负荷平衡情况，物流顺畅程 虚拟制造技术在凸轮轴模具加工中的应用 度等 m u i t i g e nc r e a t o r 1 叫 m u l t i g e nc r e a t o r 是个强有力的、集为一体的套装软件，用来开发诸如 大地、海洋、天空等视景仿真数据库。可以按要求建立动态的车辆的模型，或 产生特定地点的符合地球弧度的大地景，或是操控半自动化的武器。m u l t i o e n c r e a t o r 可以在同一个完整的环境中提供必需的高效率的工具来创建优化的、 高度逼真的实时三维模型。 由于虚拟制造技术在提升产品质量、缩短产品开发周期和提高企业生产效 率方面显示出的优势，其在汽车、飞机、工程机械以及武器产品等企业有很深 广的应用。美国国防部先进研究计划署a r p a 致力于将虚拟环境于物理建模、分 布离散性模拟等技术结合，为虚拟武器设计提供先进手段。波音飞机公司采用 虚拟样机技术在计算机上建立波音7 7 7 飞机的最终模型，实现了整机设计、整 机装配、部件测试等虚拟开发活动，使产品开发周期从原先八年缩短到五年。 1 3 本课题选题的意义和内容 1 3 1本课题研究的意义和目的 本课题的主要目的在于满足企业缩短产品生产周期、提高效率要求，和研 究如何使用先进的计算机技术来优化轴类件切削工艺。目前，传统的凸轮轴成 型模具切削工艺的确定太多依靠技术员和工人的经验，和相关资料的推荐加工 参数，或利用试错法来确定经验值，这样往往不是最优值和缺乏科学的依据， 同时对工艺参数决定因素的影响缺乏了解。这样即费工时，又增加了成本。而 且，由于受凸轮轴结构尺寸的限制，和现代机加工设备的发展进步，过去的加 工工艺往往不能满足现有的效率要求。所以，我们的目的就是利用虚拟制造的 技术来帮助凸轮轴成型模具的生产制造。 本课题的意义主要有如下三方面： a ) 现实意义。面对数量大和规格品种丰富的凸轮轴成型模具制造现状，制 造企业的工工艺工程师必须迅速准确的确定各模具的最优加工工艺。但是由于 凸轮轴在发动机中起控制和传递动力的关键作用，因此，对其模具加工制造的 尺寸公差有严格的要求。所以如何高效的制定凸轮轴成型模具的加工工艺，又 能保证其加工效率和精度，对提升企业效率和技术水平有现实的意义。 6 叫j i i 大学硕士学位论文 b ) 理论研究意义。为了提高切削产品特别是精密切削的生产效率和加工质 量，需要深入的研究切削机理、切削加工和切屑形成的原理。因为切削过程是 复杂的工艺过程，它不但涉及弹性力学、塑性力学、断裂力学，还有热力学和 摩擦学等。切削的质量受到刀具几何、切屑流动、温度分布、热流和刀具磨损 的影响。同时，切削后工件表面的残余应力和应变会很大程度影响工件的精度 和疲劳寿命。现在利用切削仿真技术可以帮助我们深入的研究切削机理、切削 加工和切屑形成的原理。例如可以帮助我们了解切削刀片上应力分布等“。 c ) 学术意义。计算机技术的发展使虚拟制造技术的应用越来越广泛，然而 虚拟技术的应用主要集中于产品的开发过程，即研发符合市场和制造要求的产 品，在制造工艺改进方面的应用还不完善。例如应用虚拟技术可以模拟数控加 工的刀具轨迹，但是却不能帮助选择具体的工艺参数。本课题将虚拟制造的概 念和技术应用在选择和优化具体的切削工艺参数，具有一定的学术意义。 1 3 2 研究内容 为了获得凸轮轴成型模具切削加工的优化工艺参数，研究主要分为切削力 分析试验，及切削过程仿真分析和切削工艺优化几部分。切削力的分析试验目 的是为了验证切削过程仿真的结果，具体研究内容如下： a ) 切削力试验。虚拟制造技术在制造业中的应用，有一个前提就是必须使 仿真模拟的结果和实际的结果能足够吻合，这样才能将仿真的结果应用于提高 实际的制造水平。试验的目的是为了获取切削力的数据，在后面验证三维切削 加工模拟仿真的结果是否真实。在切削力试验分析中，使用可转位车刀对4 5 # 钢的工件进行切削加工，并用k i s t e l e r 三向测力仪记录切削力结果。 b ) 切削过程仿真分析。切削过程仿真主要是指在切削三维仿真模型的基础 上进行与制造过程有关的分析。这包括一系列的步骤，从建立制造仿真的模型， 施加环境激励和约束条件到预测模型在不同工艺下的响应。在这一步骤中，我 们在成熟商业软件p r o e 中完成虚拟仿真的刀具系统和被加工工件的模型，然 后将模型导入有限元分析软件d e f o r m 3 d ，按实际加工环境参数施加边界条件进 行切削仿真，主要分析切削过程的切削三向力。 c ) 建立切削力的仿真元模型。元模型本质上是基于仿真计算采样结果的回 归技术，其术语源于统计科学。轴类模具的加工工艺主要有切削速度、切削深 虚拟制造技术在凸轮轴模具加工中的应用 度和进给量三个重要因素。为了决定优化的切削工艺参数，传统的“试错”设 计模式和参数优化设计由于计算效率不高，对三维工程设计问题常常显得无能 为力。因此我们利用元建模方法，通过试验设计、方差分析、和回归分析，建 立加工参数和切削力之间的响应关系，即切削力的元模型。为后面的切削参数 优化作准备。 d ) 基于仿真结果优化。凸轮轴成型模具的切削工艺要考虑许多影响因素t 为了优化必须建立优化的数学模型。从加工的可能性上说要考虑工件和刀具系 统的刚度，刀具的强度，机床的功率等等；从企业的效益上说要尽量短的加工 时间和加工消耗等等。因此切削工艺参数的优化属于单目标多约束的多元优化。 考虑到遗传算法在寻找全局最优解上的优势，我们采用遗传算法进行优化，借 助通用计算软件m a t a l a b 的遗传工具箱完成计算。同时为了方便整个工艺优化 的过程，我们还利用m a t a l a b 的二次开发能力，设计了一个结合优化过程中的 元建模和工艺参数优化计算的系统。 1 3 3 技术路线 四川大学硕士学位论文 2 切削过程仿真模拟规划 2 1虚拟产品的性能仿真技术 虚拟产品开发中的仿真主要是指在虚拟产品模拟基础上进行与产品性能有 关的仿真分析。利用模型对产品进行在模拟环境下实现和预测产品在真实环境 下的性能和特征，它包含一系列步骤，从建立产品模型，施加环境激励和约束 条件到预测产品在真实状况下的响应。随着计算机技术和仿真技术的快速发展 及向应用领域渗透，为虚拟产品性能仿真提供强大的技术支撑。 产品的性能是指产品的功能和质量，功能是实现用户需要的某种行为的能 力，质量则是指产品能实现其功能的程度和在使用期内功能的保持性。虚拟产 品的性能仿真主要是应实现产品在使用过程中的性能变化和退化的仿真，仿真 系统根据性能仿真的结果及其对应的策略，提出产品修改方案，进行反馈设计。 虚拟产品开发本质上是基于仿真的产品开发技术。产品在设计s d , n 造，尤 其是在一些复杂系统研制开发中，仿真一直是不可缺少的工具。仿真分析是虚 拟产品开发技术的核心，通过对开发产品进行仿真建模与分析求解，在实际产 品还未开发出来之前，就能够预测所关注的产品的某些特性，通过分析与评估， 修改模型相关方面参数，优化产品结构与性能。机械产品开发的仿真分析包含 很多方面： 机械系统功能方面，包括机械系统的运动学、动力学分析。 工程分析方面，主要借助于有限元或其他数值模拟手段，对产品的静力、 模态、振动、冲击、接触等力学行为，产品的物理功能或物理过程以及工艺过 程，如浇铸过程中的流场、温度场、应力场等进行模拟仿真。 c a m 方面，包括加工刀具轨迹仿真、工艺规划，以及加工的物理过程等进行 仿真。 在本课题中，对产品凸轮轴模具的切削加工物理过程进行仿真。仿真过程 中，首先建立计算机仿真三维模型，施加环境激励和约束条件( 对切削刀片定 义切削速度、对工件定义固定和速度的约束、同时还有定义环境温度等) ，分析 和预测模型在真实的加工条件下的响应( 作用在刀片上的三向力、工件和刀片 的温度场、应力场等) ，对于优化切削加工参数这个目标，我们关注的主要是作 用在刀片上的三向力。通过分析和评估，最后利用优化方法，对凸轮轴模具的 加工工艺进行改进。 9 虚拟制造技术砬：凸轮轴模具加1 = 中的应用 本文采用d e f o r m 3 d 对金属切削过程进行模拟仿真，不仅可以分析某一时 刻的模型中的静力、接触、应力等力学行为，还可以直观的看到刀屑接触、刀 屑分离和切屑流动的状态，仿真结果更直观、更全面。 图21切削物理模型到计算机模型的转变 2 2 虚拟产品性能仿真追求目标 虚拟产品开发的本质是基于计算机数字化仿真，但虚拟产品开发不同于传 统的仿真。仿真技术在产品设计的工程化方面已经取得了许多成果，但这些研 究多是从工程分析的角度对产品本身进行仿真。从工程分析的角度对产品本身 进行仿真的核心部分仅仅是一个计算和调度过程，只是通过对产品数字模拟的 计算最后给出一系列数据，是在设计变量、设计目标和设计约束均已知的情况 下进行的，是一个验证设计结果是否满足设计要求的过程。 a ) 虚拟产品开发的最终目标是要替代物理样机以减少产品开发周期和成 本，达到一次试样成功，从根本上提高产品设计水平和竞争力。传统的工程仿 真目前尚只能解决复杂系统某方面的特性，通常表现为数学计算的可视化表达， 比如机构仿真和流场分析等。 b ) 虚拟产品开发的仿真应研究产品不同方面的特性及其综合性能，如产品 的功能、可制造性、入机功效甚至美学特性。只有当所有关注的特性都在物理 样机生产前能进行科学的预测，才有可能如同“真实样机”一样，提供用户“使 用”，从而减少或取消物理样机的生产。 c ) 虚拟产品开发强调人和虚拟产品能像人和物理样机一样进行交互，而不 是仅仅局限于传统仿真对产品行为的研究“1 。 本课题对凸轮轴模具的切削过程进行模拟，目的不是为了验证模具设计是 1 0 暇j i l 大学硕士学位论文 否满足设计要求，而是利用仿真模拟的结果建立切削力的元模型，帮助最优化 的满足要求的工艺参数。这里的仿真模拟将代替物理样机，即传统的切削力试 验和确定工艺参数进行的试切活动。利用虚拟样机模拟替代金属切削，以减少 产品工艺参数的制定时间和成本，避免大量的重复性劳动，提高企业产品工艺 的制定水平和竞争力。 2 3 凸轮轴成型模具加工过程的切削力仿真元模型建立 2 3 1 仿真元模型的提出 仿真技术已经成为虚拟产品开发中不可缺少的一部分。有效利用仿真技术 代替昂贵费时的物理试验，试设计人员能减少产品开发时间和成本，优化设计 结果。 随着各种先进技术的发展，在虚拟产品开发过程中，设计者面临的设计问 题也日益复杂。为了从不周的方面研究产品豹行为并指导设计改进，通常先建 立复杂系统的计算机模型，然后对模型进行大量的计算分析和仿真。仿真分析 需要大量时间，如工程设计中常用的有限元分析和流场分析等，通常耗用数小 时甚至数天时间。尽管计算能力在不断提高，但工程设计问题的复杂程度也在 不断增加。同时，复杂系统的设计常常需要解决多学科设计优化和冲突求解问 题。传统的“试错”设计模式和参数设计由于计算效率不高，对高维工程设计问 题常常显得无能为力，主要有三个重要因素使传统的工程仿真方法无法解决高 维和复杂的虚拟产品开发仿真问题。 a ) 设计变量和响应的数目以及计算耗费的成本和产品开发时间的限制：随 着设计变量的增加，参数化设计对于分析耗费的成本和时间也增加。每次改变 一个设计变量而保持剩余设计变量不变，对含有大量设计变量的工程设计问题 显得效率低下，同时也未能揭示设计变量之间的交互关系。随着设计约束和设 汁目标的增加，参数化的设计与分析的低效率无法解决工程设计中的全局优化 问题。 b ) 虚拟产品开发是多学科的协同发展，系统建模的目的是用于仿真以预测 系统性能，通常在虚拟产品开发过程中，不同的模型侧重点不同，其优化目标 不同，从系统模型的观点来看，系统的优化目标函数的建立是确保实现系统最 优化的关键。为了预测系统的性能，必须建立完整的系统模型，通常有两种方 虚拟制造技术在凸轮轴模具加工中的应用 法用于多领域系统建模。一种方法是在各自的建模环境中建立独立模型，然后 通过定义接口连接：另一种方法是在统一的仿真环境下建立完整的系统模型， 但是，前这样的仿真建模方法还不成熟。 c ) 设计变量和响应数目的增加使得无法建立两者之间的联系，即无法获取 两者之间的作用规律。对虚拟产品开发这一个“试验”过程而言，有效揭示仿 真背后隐藏的各种规律不仅可以对各种现象进行解释，同时也可以发现新的知 识。 本课题中，需要通过切削模拟仿真来建立切削力的经验公式，即建立切削 参数( 进给量、切削速度、切削深度) 和响应( 切削力) 的关系。现在切削过 程采用有限元技术进行分析，为了获取更精确的结果，必须要将模型的有限元 网格划分得足够细小。这样必然使得计算时间加长。虽然现在计算机的计算能 力在不断的加强，但是因为我们要建立三个变量和一个响应的关系，因此做很 多次计算机的模拟是不现实的。所以就有了仿真元模型的提出，也就是利用模 型的模型来简化过程，帮助分析优化问题。 2 3 2 元建模方法及响应面模型 2 3 2 1 元建模方法 图2 2 虚拟产品开发中的元模型 四川大学硕士学位论文 元模型( m e t a m o d e l ) 替代模型( s u r r o g a t e m o d e l ) 本质上是基于仿真计算 采样结果的回归技术，其术语源于统计科学。简单的说，元模型就是指模型的 模型，正如各种仿真模型是对实际物理系统的抽象一样，仿真元模型则是对仿 真模型的抽象。元模型与仿真模型及虚拟产品开发不同阶段的区别与联系如下 图所示。图2 2 中虚拟产品开发的不同阶段表示了在产品开发周期中所要考察 的产品不同性能表现形态，先进行数学、逻辑上的抽象和描述；然后通过不同 的仿真软件建立仿真模型；为提高仿真效率，更好揭示产品开发中的各种因果 关系，在通过试验设计，获取仿真元模型。在每个阶段都需要进行模型的校验 和验证。 常见的元模型有如下几种： 响应面模型( r e s p o n s es u r f a c em e t a m o d e l ) ； 样条模型( s p l i n em e t a m o d e l ) ； 径向基函数模型( r a d i a lb a s i sf u n c t i o bm e t a m o d e l ) ； 神经网络模型( n e u r a ln e t w o r km e t a m o d e l ) ： 克里格模型( k r i n g i n gm e t a m o d e l ) 。 在各种元模型的选择方面，响应面模型由于采用多项式来近似拟和仿真模 型，其计算简单，并能有效揭示不同因素对产品性能响应的贡献，同时也获得 了现有软件( 如m a t l a b ) 的有力支持而成为利用率最高的仿真元模型。 图2 3 金属切削各层次仿真模型之间的关系 虚拟制造技术在凸轮轴模具加工中的应用 因此，在本课题中，我们采用响应面模型，并j e 幂r j 用m a t l a b 软件的计算功 能和用户界面功能，建立具有相应功能的用户界面。 2 3 2 2 响应面模型 响应曲面方法( r s m ) 是统计学中研究独立变量与性能响应关系的分支，是 用于对未知系统进行近似的一种方法。r s m 来源与物理试验，通过获取的试验 数据研究一组变量和系统输出( 响应) 的关系，这种未知的关系通过建立数学 模型并表达出来，称为响应面。基于响应面的优化方式参照了试验设计优化， 试验没计( d e s i g no fe x p e r i m e n t ，d o e ) 、方差分析( a n a l y s i so fv a r i a n c e ， a n o v a ) 和回归分析( r e g r e s s i o na n a l y s i s ，r a ) 是r s m 的三要素。 试验设计“。： 构造仿真元模型首先需要在设计空间进行采样。d o e 提供各种方法选择独立 变量的不同组合，并利用c a e 工具获取采样数据。设计人员往往希望寻求一种 试验方法，通过尽可能少的试验次数就能有效表达独立变量和响应特性之间的 重要关系。在虚拟产品开发中，响应特性一般是功能目标或者约束，它通常可 以表达为设计变量的函数。 最基本的试验设计是全要因设计( f u l lf a c t o r i a ld e s i g n ) ，设计点的数 日是因素数和水平的乘积，常用的全要因设计是2 和3 。2 2 全要因设计能够 评估主效应和交互效应，3 全要因设计除了能评估主效应和交互效应外，还能 评估二次效应。2 全要因设计如图2 4 ( a ) 所示。 自然的d o e 方式是利用超空间的所有顶点来包含设计空间，并采用线性多 项式拟和模型，即为二水平( 一1 和+ 1 ) 全要因设计。为了采用更高阶的多项式 拟和模型，必须提高试验的水平数，比如，加入设计水平的中点值，就得到三 水平( 一i ，0 和十1 ) 全要因设计，这样就可以采用二次多项式拟和模型。随着 设计变量的增加，全要因设计的试验次数或仿真次数也增加。比如，1 0 个变量 问题的三水平全要因设计需要进行的试验次数多达3 ”= 5 9 0 4 9 次，除非试验成 本很小和时间短，否则这样的试验几乎是不可能。这时通常改用部分要因设计 ( f r a c t i o n a lf a c t o r i a ld e s i g n ) ，2 3 全要因设计试验的二分之一( 2 “) 部 分实施如图2 3 ( b ) 所示 四川大学硕士学位论文 升一一姣 i ；l 形 一y 卅y li ；1 一 7 。y a 娥 i ll 一一 ， ( b ) ( c ) 图2 4 基本的三要困设计 表2 1 均匀设计表u ；( 85 ) ( 8 水平，3 因素) 工件材料 直径 试。 刀片刀片 ， 验 结构 v 0a o a o 疋 配 五 名 条 刀具 材料规格 件 因素 v ( m r a i n ) 厂( m 廿) a p ( m m ) 切削力f ( n ) 试验号 水平数值水平数值水平数值数值 ll 4 xx 7 xx 2 2x85x 3 33 3 447x 1 55 2 x 8 66 66 77 l 4 88 5 2x 为了估计二次效应至少需要三水平设计，这将导致设计点数目失控。为了 减少设计点数目，常用的二阶设计主要是中心复合设计( c e n t r a lc o m p o s i t e d e s i g n ，c c d ) 和b o x b e h n k e n 设计。c c d 是二水平要因设计，补加个原点 和分布在每个因素坐标上与原点的距离为a 的两星型顶点。如图2 3 ( c ) 所 虚拟制造技术在凸轮轴模具加工中的应用 示，c c d 一共包括2 【脚) + 2 k + n o 个设计点用于估计2 + 墼冬尘+ 1 个系数，如 z 果口= 1 ，c c d 便成为面中心复合设计( f a c e c e n t r e r e dc e n t r a l c o m p o s i t e d e s i g n ，f c c d ) ：b b 设计组合了2 要因设计和不完全区组设计，不包括又设计 边界构成的超立方顶点设计“。 在本课题中，为了使建立的回归方程更精确，加工模拟试验对切削速度， 进给量和切削深度每个因素都采用8 个水平，同时又兼顾到减少试验次数，按 均匀设计表玩( 85 ) 进行试验设计，模拟试验总数为8 次，如袁2 1 所示。 回归分析： 回归分析就是应用数学方法，对获得的数据去粗取精，去伪存真，从而得 到反映事物内部规律的数据的方法。概括来说，回归分析主要需解决以下几个 问题：a ) 确定几个特定的变量之间是否存在相关关系，找出它们之间的数学模 型；b ) 进行因素分析，找出主要因素，次要因素，以及这些因素之间的相关程 度：c ) 利用数学回归模型，进行模型预测和优化。 响应面方法假设模型可以表示为如下的形式： y ( x ) = 厂( x ) + s 公式中，y ( x ) 表示未知的实际模型；f ( x ) 表示元模型；f 为误差。 标准响应面方法利用试验设计策略在设计空间产生设计点，然后利用一阶 或二阶模型来近似替代未知系统，f ( x ) 一阶和二阶响应面模型为： 多= 岛+ 屈置， ( 2 1 ) i = l p = 成+ 屈t + 屈，石j 2 + 岛t x ， ( 2 2 ) i = tj = 1 i ，z l 公式中，p o ，尼，成和成都是回归系数，利用最小二乘估计发求得回归 系数矢量为： = 缸州“x y ( 2 3 ) 公式中，x 表示由采样点构成的设计矩阵，y 是由响应构成的列矢量，由此 得到实际系统的多项式近似模型。 方差分析： 对任何一个未知系统，无论响应y 与设计变量x 之间实际上的关系如何，都 四川大学硕士学位论文 可以采用最小二乘法求得一个回归模型。常需要对求得的回归方程进行方差分 析，方差分析类似于响应与设计变量间的灵敏度研究。模型预测值的波动包括 两部分，一是